近日，威廉希尔官网魏湫龙副教授课题组在氧化钛负极材料储钠机理的研究中取得重要进展，相关成果以“Surface-redox sodium-ion storage in anatase titanium oxide”为题在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications, 2023, 14:7)。
钠离子电池因较低的成本和丰富的资源，有望应用于大规模储能，因而备受研究者们关注。关于钠离子电池材料的储钠机理需要深入研究，此前关于二氧化钛储钠机制主要存在两种相矛盾的观点：一种认为二氧化钛储钠是嵌入型反应，另一种认为二氧化钛储钠过程会伴随着无定形化转变。此外，二氧化钛储钠性能的构效关系和其赝电容响应来源需要进一步揭示，为实际的钠离子电池材料设计提供科学依据。
基于此，魏湫龙副教授课题组与美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）材料系Bruce Dunn教授合作，系统地研究了不同颗粒尺寸TiO2(A)的储钠过程的电化学行为及结构演化过程，提出了表面氧化还原储钠反应模型，揭示了颗粒尺寸和比容量之间的关系，并成功解释了以往报道中TiO2(A)块体和纳米材料之间储钠结果差异的本质原因。研究发现，在首次嵌钠过程中，晶态TiO2(A)表面3-5 nm厚度层发生了无定形化，并在后续反应过程中一直保持。当颗粒尺寸远大于表面无定形层厚度时，始终存在有内核晶态结构，而当颗粒尺寸小于10 nm将完全无定形化。基于动力学分析表明，TiO2(A)储钠为本征的表面氧化还原反应，展现出赝电容反应动力学特征，且该行为与其颗粒尺寸无关。即使在高负载的情况下，其反应仍基于快速的表面赝电容储钠机制。作为钠离子电池负极材料时，TiO2(A)具有高倍率、优异的循环稳定性和极小的过电势等特点，在高功率储钠器件应用中具有独特优势。课题组另一项关于钛酸锂的储钠机理研究中(Energy Storage Mater., 2023, 54, 724-731)同样发现了表面反应过程控制的储钠过程，这一系列储钠机理方面的研究为设计高性能的钠离子电池材料提供了新思路。
图1 不同颗粒尺寸TiO2(A)储钠机理示意图及相应的颗粒尺寸、表面无定形层反应厚度及储钠比容量模型
该工作得到加州大学洛杉矶分校Bruce Dunn教授（共同通讯）、威廉希尔官网彭栋梁教授、复旦大学晁栋梁研究员和内蒙古大学兰坤研究员的重要支持和帮助。威廉希尔官网2020级博士生常晓庆和2020级硕士生李俊斌，加州大学洛杉矶分校博士生Danielle Butts、Ryan DeBlock参与了该工作。研究工作得到国家自然科学基金（22005256, 22179113）、中央高校基本科研业务费专项资金（20720210045, 20720210084）和福建省能源材料科学与技术创新实验室（HRTP-2022-19）的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35617-3
